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管道应力分析基础知识

1．管道应力分析的原则

管道应力分析应保证管道在设计条件下具有足够的柔性，防止管道因热胀冷缩、管道支承或端点附加位移造成应力问题。

2．管道应力分析的主要内容

管道应力分析分为静力分析和动力分析。 静力分析包括：

1）压力荷载和持续荷载作用下的一次应力计算——防止塑性变形破坏；

2）管道热胀冷缩以及端点附加位移等位移荷载作用下的二次应力计算——防止疲劳破坏； 3）管道对设备作用力的计算——防止作用力太大，保证设备正常运行； 4）管道支吊架的受力计算——为支吊架设计提供依据； 5）管道上法兰的受力计算——防止法兰汇漏。 动力分析包括：

l）管道自振频率分析——防止管道系统共振； 2）管道强迫振动响应分析——控制管道振动及应力； 3）往复压缩机（泵）气（液）柱频率分析——防止气柱共振； 4）往复压缩机（泵）压力脉动分析——控制压力脉动值。

3．管道上可能承受的荷载

（1）重力荷载：包括管道自重、保温重、介质重和积雪重等； （2）压力荷载：压力载荷包括内压力和外压力；

（3）位移荷载：位移载荷包括管道热胀冷缩位移、端点附加位移、支承沉降等； （4）风荷载； （5）地震荷载；

（6）瞬变流冲击荷载：如安全阀启跳或阀门的快速启闭时的压力冲击： （7）两相流脉动荷载；

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（8）压力脉动荷载：如往复压缩机往复运动所产生的压力脉动； （9）机械振动荷载：如回转设备的振动。

4．管道应力分析的目的

1）为了使管道和管件内的应力不超过许用应力值；

2）为了使与管系相连的设备的管日荷载在制造商或国际规范（如 NEMA SM-23、API-610、 API-6 17等）规定的许用范围内；

3）为了使与管系相连的设备管口的局部应力在 ASME Vlll的允许范围内； 4）为了计算管系中支架和约束的设计荷载； 5）为了进行操作工况碰撞检查而确定管于的位移； 6）为了优化管系设计。

5．管道柔性设计方法的确定

一般说来，下述管系必须利用应力分析软件（如 CAESAR II）通过计算机进行计算及分析。 1）与贮罐相连的，公称管径12”及以上且设计温度在100度及上的管线；

2）离心式压缩机（API 617）及往复式压缩机（API 618）的3”及以上的进、出口管线： 3）蒸汽透平（NAME SM23）的入口、出口和抽提管线；

4）泵（API 610）——公称管径4”及以上且温度 100度及以上或温度-20度及以下的吸入。

排出管线；

5）空冷器（API 661）——公称管径 6”及以上且温度 120度及以上的进、出口管线； 6）加热炉（API 560）——与管口相连的 6”及以上和温度 200度及以上的管线； 7）相当长的直管，如界区外的管廊上的管线；

8）法兰处的泄漏会造成重大危险的管线，如氧气管线、环氧乙烷管线等。 9）公称管径4”及以上且100度及以上或-50度及以下的所有管线；

6．摩擦系数的确定

除非另有规定，在进行管道柔性分析时摩擦系数应作如下考虑：

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滑动支架：

钢对钢 0.3 不锈钢对聚四氟乙烯 0.1 聚四氟乙烯对聚四氟乙烯 0.08 钢对混凝土 0.6 滚动支架：

钢对钢（滚珠） 0.3 钢对钢（滚柱） 0.3 注：滚珠沿轴向运动时应采用滑动摩擦系数．

7．管道柔性设计

管道柔性是反映管道变形难易程度的一个物理概念，表示管道通过自身变形吸收热胀、冷缩和其它位移变形的能力。

进行管道设计时，应在保证管道具有足够的柔性来吸收位移应变的前提下，使管道的长充尽可能短或投资尽可能少。在管道柔性设计中，除考虑管道本身的热胀冷缩外，还应考虑管道端点的附加位移。设计时，一般采用下列一种或几种措施来增加管道的柔性： （1）改变管道的走向；

（2）选用波形补偿器、套管式补偿器或球形补偿器；

（3）选用弹性支吊架。

8．管道柔性设计的目的

管道柔性设计的目的是保证管道在设计条件下具有足够的柔性，防止管道回热胀冷缩、端点附加位移、管道支承设置不当等原因造成下列问题；

（1）管道应力过大引起金属疲劳和（或）管道推力过大造成支架破坏； （2）管道连接处产生泄漏；

（3）管道推力或力矩过大，使与其相连接的设备产生过大的应力或变形，影响设备正常运行。

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9．应进行详细柔性设计的管道

（1）进出加热炉及蒸汽发生器的高温管道； （2）进出汽轮机的蒸汽管道；

（3）进出离心压缩机，透平鼓风机的工艺管道； （4）进出离心分离机的工艺管道； （5）进出高温反应器的管道； （6）温度超过400℃的管道；

（7）利用图表或其他简化法初步分析后，表明需要进一步详细分析的管道：

（8）与有受力要求的其他设备相连的管道。

10．管道柔性设计计算结果的内容

（1）输入数据；

（2）各节点的位移和转角； （3）各约束点的力和力矩； （4）各节点的应力；

（5）二次应力最大值的节点号、应力值和许用应力范围值；

（6）弹簧参数表。

11．管道柔性设计合格的标准

（1）管道上各点的一、二次应力值应小于许用应力范围； （2）管道对设备管口的推力和力矩应在允许的范围内；

（3）管道的最大位移量应能满足管道布置的要求。

12．冷紧问题

冷紧是指在安装时（冷态）使管道产生一个初位移和初应力的一种方法。

如果热胀产生的初应力较大时，在运行初期，初始应力超过材料的屈服强度而发生塑性变形，或在高温持续作用下，管道上产生应力松弛或发生蠕变现象，在管道重新回到冷态时，则产生反方向的应力，这

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种现象称为自冷紧。

冷紧的目的是将管道的热应变一部分集中在冷态，从而降低管道在热态卜的热胀应力和对端点的推力和力矩，也可防止法兰连接处弯矩过大而发生泄漏。但冷紧不改变热胀应力范围。 冷紧比为冷紧值与全补偿量的比值。

通常应尽量避免采用冷紧，在必须采用冷紧的情况下，要遵循下列原则：

● 为了降低管道运行初期在工作状态下的应力和管道对连接设备或固定点的推力、力矩以及位 移量，可以采用冷紧，但冷紧不能降低管道的应力范围；

● 对于材料在蠕变条件下（碳钢380度以上，低合金钢和高铬钢420度以上）工作的管道进行 冷紧时，冷紧比（亦即冷紧值与全补偿量的比值）应不小于0.7。对于材料在非蠕变条件下工 作的管道，冷紧比它取0.5。对冷紧有效系数，热态取2/3，冷态取1。 ● 对连接转动设备的管道，不宜采用冷紧。

●与敏感设备相连的管道不宜采用冷紧。因为由于施工误差使得冷紧量难于控制，另一方面，在管

道安装完成要将与敏感设备管口相连的管法兰卸开，以检查该法兰与设备法兰的同轴

度和平行度，如果采用冷紧将无法进行这一检查。

13．带约束的金属波纹管膨胀节类型

（1）单式铰链型膨胀节，由一个波纹管及销轴和铰链板组成，用于吸收单平面角位移； （2）单式万向铰链型膨胀节，由一个波纹管及万向环、销轴和铰链组成，能吸收多平面角位移；

（3）复式拉杆型膨胀节，由用中间管连接的两个波纹管及拉杆组成，能吸收多平面横向位移和膨 胀节本身的轴向位移；

（4）复式铰链型膨胀节，由用中间管连接的两个波纹管及销轴和铰链板组成，能吸收单平面横向 位移和膨胀节本身的轴向位移；

（5）复式万向铰链型膨胀节，由用中间管连接的两个波纹管及销轴和铰链板组成，能吸收互相垂 直的两个平面横向位移和膨胀节本身的轴向位移；

（6）弯管压力平衡型膨胀节，由一个工作波纹管或用中间管连接的两个工作波纹管及一个平衡波 纹管构成，工作波纹管与平衡波纹管间装有弯头或三通，平衡波纹管一端有封头并承受管道 内压，工作波纹管和平衡波纹管外端间装有拉杆。此种膨胀节能吸收轴向位移和／或横向位

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